第一篇 空间机器人基本理论 3
第1章 绪论 3
1.1空间机器人的定义、特点及分类 4
1.1.1空间机器人的定义 4
1.1.2空间机器人的特点 5
1.1.3空间机器人的分类 6
1.2空间机器人的基本组成及主要研究内容 8
1.2.1空间机器人的基本组成 8
1.2.2空间机器人的主要研究内容 9
第2章 空间机器人运动学与动力学 11
2.1拓扑结构数学描述 12
2.2坐标系定义与坐标变换 14
2.3空间机器人运动学 16
2.3.1各体位置和速度 16
2.3.2末端位置和速度 19
2.4空间刚性机器人动力学方程 21
2.4.1用拉格朗日法建立空间刚性机器人动力学方程 22
2.4.2用牛顿-欧拉法建立空间刚性机器人动力学方程 24
2.4.3不考虑基座浮动的情形 28
2.5空间柔性机器人动力学方程 30
2.5.1柔性体变形与动能 30
2.5.2柔性体的弹性力与广义力 33
2.5.3柔性体间约束方程 34
2.5.4柔性多体系统动力学模型 35
2.5.5空间机器人柔性多体动力学模型 36
第3章 空间机器人运动规划 37
3.1空间操作机器人运动规划 38
3.1.1规划问题描述 38
3.1.2运动轨迹的选取 39
3.1.3关节空间运动规划 41
3.1.4笛卡儿空间运动规划 42
3.1.5冗余机器人避关节极限和避奇异 45
3.2空间移动机器人运动规划 50
3.2.1全局路径规划 50
3.2.2局部路径规划 54
3.2.3轮式移动机器人运动规划 59
第4章 空间机器人运动控制 62
4.1三环伺服运动控制 64
4.1.1电机驱动与关节伺服控制 64
4.1.2关节伺服控制系统的调试与测试 75
4.2基于动力学模型的运动控制 79
4.2.1基于计算力矩的控制 79
4.2.2滑模变结构控制 80
第5章 空间机器人力控制 84
5.1力位混合控制 87
5.1.1自然约束和人工约束 87
5.1.2力位混合控制算法 88
5.2阻抗控制 91
5.2.1期望阻抗的选定 92
5.2.2基于位置的阻抗控制 93
5.2.3基于雅可比转置的阻抗控制 94
5.2.4基于动力学模型的阻抗控制 95
5.2.5多机器人协同阻抗控制 100
第二篇 空间机器人设计基础 105
第6章 空间机器人系统 105
6.1系统设计 107
6.1.1设计内容 107
6.1.2设计原则 108
6.2系统设计要素及约束要求 109
6.2.1功能要求 109
6.2.2性能要求 110
6.2.3环境约束要求 113
6.3系统总体设计 115
6.4系统构型设计 117
6.5系统供配电设计 121
6.6系统信息流设计 122
6.7系统热设计 124
6.8系统接口设计 125
6.9系统工效学设计 127
6.10系统可靠性设计 128
6.11系统安全性设计 129
6.12系统测试性设计 130
6.13系统维修性设计 131
6.14系统保障性设计 132
6.15元器件、原材料及工艺的选用设计 133
6.16系统验证方案设计 135
第7章 空间机器人机械系统 136
7.1机械系统设计 138
7.1.1设计内容 138
7.1.2设计原则 140
7.2空间机器人结构 142
7.2.1结构功能 142
7.2.2结构材料 143
7.2.3结构设计 150
7.3关节 155
7.3.1关节分类 155
7.3.2关节的组成 155
7.3.3关节设计 165
7.4末端执行器 172
7.4.1末端执行器分类 172
7.4.2末端执行器的组成 174
7.4.3末端执行器设计 180
7.5移动机构 184
7.5.1腿式移动机构 184
7.5.2轮式移动机构 187
7.5.3履带式移动机构 190
7.6压紧释放机构 191
7.6.1压紧释放机构的功能 191
7.6.2释放装置的类型 192
7.6.3压紧释放机构设计 195
7.7空间润滑设计 198
7.7.1润滑设计的作用和要求 198
7.7.2润滑材料及润滑方式选取 199
7.7.3脂润滑 200
7.7.4固体润滑 202
7.7.5固体-脂复合润滑 206
7.8机械系统试验验证技术 207
7.8.1空间机器人关节功能/性能测试 208
7.8.2空间机器人末端执行器功能/性能测试 210
7.8.3环境适应性试验 212
7.8.4可靠性试验 213
第8章 空间机器人控制系统 216
8.1控制系统的组成及基本功能 217
8.2控制系统设计 219
8.2.1控制系统架构 219
8.2.2信息流设计 221
8.2.3控制系统工作模式设计 223
8.2.4控制系统硬件设计 225
8.2.5控制系统软件设计 228
8.2.6控制系统可靠性与安全性设计 230
第9章 空间机器人感知系统 233
9.1视觉感知系统设计 235
9.1.1设计内容 235
9.1.2设计原则 239
9.2可见光视觉感知系统的应用 241
9.2.1可见光视觉感知的基本原理 241
9.2.2舱外空间机械臂视觉感知系统 244
9.2.3舱外飞行空间机器人视觉感知系统 246
9.2.4舱内飞行空间机器人视觉感知系统 247
9.2.5舱内类人型空间机器人视觉感知系统 248
9.3激光视觉感知系统的应用 252
9.3.1激光视觉感知的基本原理 252
9.3.2舱外空间机械臂视觉感知系统 254
9.3.3舱内类人型空间机器人视觉感知系统 257
9.4试验验证 259
第10章 空间机器人遥操作系统 261
10.1空间机器人遥操作系统设计 263
10.1.1空间机器人遥操作系统的特点、功能及组成 263
10.1.2遥操作系统设计原则 265
10.1.3主要技术指标 267
10.2典型空间机器人遥操作系统 268
10.2.1指令遥操作系统 269
10.2.2双边遥操作系统 270
10.2.3共享遥操作系统 278
10.2.4智能代理遥操作系统 279
第11章 空间机器人系统仿真 281
11.1仿真在空间机器人研制中的作用 283
11.2常用空间机器人仿真类型 286
11.2.1按实现方式分类 286
11.2.2按时间关系分类 287
11.3空间机器人仿真中的两个关键问题 288
11.3.1仿真目标 288
11.3.2模型验证 289
11.4基于仿真的任务验证 291
11.5常用机器人仿真软件 294
11.5.1 MATLAB 294
11.5.2 SimulationX 295
11.6基于MATLAB/SimMechanics的机器人仿真样例 297
第三篇 空间机器人设计实例 303
第12章 大型空间机械臂设计实例 303
12.1设计要求与约束条件 306
12.1.1设计要求 306
12.1.2约束条件 308
12.2系统总体设计 310
12.2.1任务分析 310
12.2.2总体设计 312
12.2.3机械臂机械系统设计 315
12.3控制系统设计 319
12.3.1控制系统的组成 319
12.3.2系统控制策略 320
12.3.3控制系统硬件设计 321
12.3.4控制系统软件设计 324
12.4感知系统设计 326
12.4.1感知系统的组成 326
12.4.2视觉测量系统策略 327
12.4.3视觉测量系统信息总线设计 328
12.4.4视觉测量系统硬件设计 328
12.4.5视觉测量系统软件设计 330
12.5设计验证 331
12.5.1验证项目矩阵 331
12.5.2验证方案 332
第13章 空间移动机器人设计实例 335
13.1设计要求与约束条件 337
13.1.1设计要求 337
13.1.2约束条件 338
13.2系统总体设计 340
13.2.1任务分析 340
13.2.2总体方案设计 342
13.3机械系统设计 348
13.3.1驱动转向模块设计 349
13.3.2主动悬架模块设计 350
13.3.3差动支撑模块设计 351
13.3.4压紧释放模块设计 352
13.4控制系统设计 354
13.4.1控制系统总体设计 354
13.4.2控制系统模式设计 355
13.4.3伺服驱动方案设计 356
13.5感知系统设计 359
13.5.1感知系统整体构造 359
13.5.2视觉感知系统设计 360
13.5.3导航相机设计 362
13.5.4避障相机设计 362
13.5.5太阳敏感器设计 363
13.6设计验证 364
13.6.1车体爬坡能力验证 364
13.6.2车体越障能力验证 365
13.6.3车体抬升能力验证 366
13.6.4抬轮行走能力验证 367
第14章 行星表面采样机械臂设计实现 369
14.1设计要求与约束条件 370
14.1.1任务要求 370
14.1.2功能要求 370
14.1.3性能要求 370
14.1.4接口要求 371
14.1.5环境适应性要求 371
14.2系统总体设计 373
14.2.1任务分析 373
14.2.2总体设计 374
14.3机械系统设计 379
14.3.1系统组成 379
14.3.2关节设计 379
14.3.3臂杆设计 381
14.3.4采样器设计 382
14.3.5压紧机构设计 383
14.4控制系统设计 385
14.4.1系统架构设计 385
14.4.2控制单元设计 385
14.4.3关节控制系统设计 387
14.4.4控制系统软件架构 387
14.5感知系统设计 389
14.5.1触地传感组件设计 389
14.5.2视觉系统设计 389
14.6设计验证 392
14.6.1试验验证项目 392
14.6.2抗力学环境试验 393
14.6.3抗热学环境试验 393
14.6.4抗尘土试验 394
14.6.5高温展开试验 394
14.6.6末端采样试验 394
14.6.7着陆姿态拉偏试验 396
第四篇 总结与展望 399
第15章 空间机器人现状 399
15.1空间机器人的发展历程 400
15.2空间机器人的研究现状 403
15.3小结 413
第16章 空间机器人展望 415
16.1空间机器人产品 416
16.1.1软体机器人 417
16.1.2飞行机器人 419
16.1.3空间云机器人 420
16.1.4空间多机器人系统 421
16.1.5人工智能空间机器人 422
16.2空间机器人技术 424
16.3小结 433
参考文献 434
符号定义 444
英文缩略语 446
索引 448